「電子工作：電子回路を設計する：動作原理を考える」についてご紹介｜「電子工作/修理/メンテナンス」

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今回は、「電子工作：電子回路を設計する：動作原理を考える」についてご紹介します。

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私たちは通常、電子回路について電源を投入してから定常状態になったとき、つまり安定に動作してからの動作原理や消費電流に関心を持ちます。

実際に電子回路を動作させて、それを利用しているときには何も問題ないことですが、初めて設計して試作するときには、電源を投入した直後に何が起きているのかを、できるだけ検討する習慣を付けましょう。

電子回路は複数の電子部品で構成されていますが、その場所によって、電源投入時点から電源電流が通過するまでの時間が異なります。大規模な電子回路では、時間差も大きくなります。

また、その影響で、同じ電子回路の中でノイズを与え合って誤動作することもあるのです。そうしたときの対策を講じるとき、あらかじめ電源投入時の動作を理解しておくと、役に立ちます。

下記は、電源を投入した直後の電流を表したものです。

Vccからは4つの道に分かれて電流が流れます。

1. R1を通ってTr2のベース端子へ(連続的)
2. R2を通ってTr1のベース端子へ(連続的)
3. R3とC1を経由してTr2のベース端子へ(瞬間的)
4. R4とC2を経由してTr1のベース端子へ(瞬間的)

これらのベース電流は、ほぼ同時に流れます。

1のベース電流によって、2つのトランジスタもONします。このとき、各トランジスタは、飽和領域で動作するスイッチとして扱います。
また、ベース電流が流れるときに、コンデンサC1とC2では充電が始まりますが、ここを通過する直流電流はやがてなくなります。

一方、電圧について見てみると、Tr1とTr2がONすることによって、e1とe2には、ベース・エミッタ間飽和電圧VBE(sat)が現れ、e1とe2の電圧は、コレクタ・エミッタ間飽和電圧VCE(sat)になります。ここまでの様子が下記です。

2の動作の直前にC1とC2には、充電による電荷が蓄えられており、その端子間電圧はおよそVccですが、2つのトランジスタが同時にONしたことによってコンデンサのe1、e2側端子の電位が急激に0Vへ変化します。

このとき、R1とC1、R2とC2がそれぞれ微分回路を構成しているために、グラウンドから見たeB1とeB2の電圧(ベース電圧)は、マイナス側にまで下がります。これは逆バイアスですので、原理的には、2つのトランジスタがOFFするはずです。

ところが、ここには矛盾があります。例えば、eB1の電圧がわずかな時間差によって先に引き下げられたとすると、Tr1が先にOFF状態になります。すると、R3とC1を経由して、またR1を通ってTr2のベース電流が流れ続け、Tr2をONし続けるわけです。

もし、ここでいう「わずかな時間差」が一時的にゼロだったとしても、電源Vccから供給されるベース電流が止まることがありませんので、いずれは、お互いのトランジスタがスイッチし合う関係になります。「電子的なシーソー」といえます。

話を戻しますが、2つのトランジスタが同時にONした直後、微分回路の機能によってTr1またはTr2のどちらか早い方がOFFします。下記（段階の電流の様子/3段階の電圧波形）がTr1がOFFしたときの瞬間です。

eB1がR2とC2の微分回路によってマイナス電圧に引き下げられた後、放電の終わったC2にはR2を通して新たな電流が流れます。これによってC2の充電が始まり、eB1の電圧はしだいに上昇します。

そして、eB1の電圧がトランジスタをONするために必要なベースエミッタ間飽和電圧VBE(sat)になると、R2を通ってべース電流が流れ、Tr1がONします。

Tr1がONすると、C1の急激な放電によってeB2がマイナス側まで低下します。これによって、Tr2はONからOFFへと変化します。この状態は、eB2がベース・エミッタ間飽和電圧VBE(sat)になるまで持続します。

下記は、Tr2がOFFした時点の様子です。このあとは、2つのトランジスタが、交互にON・OFFを繰り返します。

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